激光与等离子体相互作用.ppt

1、激光与物质相互作用,朱海红 武汉光电国家实验室激光部 Tel13016467839 Email:,Laser- Matter Interaction,回忆,等离子体及特性,带电粒子+中性粒子,准中性,集体行为，最小尺度为德拜长度,等离子体振荡：langmuir 波,Saha方程：热平衡下，气压、温度和电离势的关系,回忆,激光等离子体的产生机理,热驱动：高功率激光作用于金属表面，产生蒸汽、蒸汽易电离、自由电子吸收激光、进一步电离高功率+金属,光电离：1个或者数个短波长激光光子被环境气体中的原子吸收，由于光子能量大于电离势单光子：紫外；多光子：波长小于1m,电子崩或级联

2、电离：环境气体中的自由电子吸收激光能量，运动速度加快发生非弹性碰撞，产生电子崩，电子密度呈指数增长-环境气体+长波激光。,混合机制:竞争及耦合,等离子体点燃时间,什么时候产生等离子体？,1、袁钢等人(1988)归纳了国外的大量实验数据，提出了激光等离子体点燃的经验判据是：,只与激光本身有关（光强、波长、脉冲宽度）,与靶表面特性无关？,等离子体点燃时间,什么时候产生等离子体？,2、假设激光气化开始时间作为点燃时间。,可见等离子体点燃时间在ns量级,等离子体点燃时间,什么时候产生等离子体？,3、从Saha方程出发，从电子密度变化来考虑，通常认为达到下述条件就是等离子体点燃时间。,视频1,精确地写出

3、等离子体点燃阈值的统一公式似乎是不可能,视频2,高功率激光作用时,熔深并不随激光功率增加正比增加，功率增加到一定程度，熔深增加缓慢,高功率激光作用时,等离子体屏蔽,激光辐照,蒸汽,吸收激光,蒸汽电离,等离子体,等离子体膨胀,等离子体吸收激光,到达靶面能量减少,传播、吸收、散射、折射,4.2:激光与等离子体相互作用,1、常铁强等，激光等离子体相互作用与激光聚变，湖南科学出版社，1991,2、陆建等，激光与材料相互作用物理学，机械工业出版社，1996,3、左铁钏，高强铝合金的激光焊接，2002,4、 Shalom Eliezer，The Interaction of High-Power Lase

4、rs with Plasmas，Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia，2002,激光与等离子体相互作用,质量如何，能量都用来干什么了-传到哪儿去了？,激光应用,有多少激光能量会被靶等离子体吸收靶吸收了多少激光能量？-能不能传，传多少,核聚变希望能量传给热电子而不是超热电子,核聚变和激发X射线希望能量被等离子体吸收；而激光焊接则不希望激光能量被等离子体吸收,激光与等离子体相互作用,也可以与等离子体的横波（电磁波）和纵波（静电和离子声波）相互作用,激光？,可以直接与等离子体的粒子相互作用,激光在等离子体中的传播,等离子体的

5、频率：,激光是横波（电磁波）,当：,激光在等离子体中传播其频率和波数k必须满足色散关系 (参考文献1第一章第二节） ：,则：,激光在等离子体中的传播,临界密度:等离子体频率等于激光频率时的等离子体密度,则激光传播因子：,振幅随空间很快衰减,激光只能在密度低于临界密度的等离子体中传输，否则会被全部反射。,如果激光频率低于等离子体频率，激光将无法传播。,激光在等离子体中的传播,：激光波长m,激光波长越短，临界密度越高,激光在等离子体中的传播,焊接时，CO2激光可在其诱导的等离子体中传播,激光与等离子体相互作用示意图,等离子体中电子密度小于临界密度的区域称为晕区,激光只能在晕区中传播,激光在等离子体

6、中的传播,晕区大小：,对于s级的脉冲激光，晕区厚度在mm量级；,在密度不同的等离子体中传播的激光，其波长会随着密度的变化而相应变化，因为激光频率在传播过程中可以认为是不变的,激光在等离子体中的传播,在激光传播的时间间隔内，等离子体状态可以近似认为不变,只有当等离子体的状态变化很剧烈，在其中传播的激光频率才会产生有意义的变化,激光在等离子体中的传播必须同时考虑吸收,激光在等离子体中的传播,正入射：激光传播方向与等离子体电子密度梯度方向一致,斜入射：激光传播方向与等离子体电子密度梯度方向不一致,极化方向：激光电场强度E的方向,P极化：极化方向在激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向组成的平面内,S

7、极化：极化方向垂直于激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向组成的平面,激光产生的等离子体密度通常是不均匀的,几个概念,激光在等离子体中的传播,几个概念,群速度,相速度,则,高等光学,激光在等离子体中的传播,正入射的激光可以到达临界面,斜入射的激光束不能达到临界面，而将在某个低于临界电子密度的地方转向折返点，此处电子密度：,激光只能在x0的区域内传播,激光在等离子体中的传播模型,1、假设为绝热气体膨胀：,必须从能量观点出发，运用靶边界条件去求解激光传播方程,1、蒸汽等离子体膨胀过程,但对于调Q激光器，气化厚度为1m的Al靶表面所需时间为ns量级，即气化只会消耗激光脉冲的部分能量，而余下的激光脉冲

8、能量还会对蒸汽继续发挥作用，点燃等离子体，产生冲击波,激光在等离子体中的传播方程,2、一维激光能量传播模型2：,蒸汽等离子体向真空膨胀视为一维膨胀；,忽略散射和热传导，考虑靶表面蒸汽的热辐射；,考虑靶表面的反射效应；,认为蒸汽等离子体处于局部热力学平衡；,激光在等离子体中的传播方程,2、一维激光能量传播方程：,忽略散射和热传导，一维传播方程为：,由基尔霍夫定律：,激光在等离子体中的传播方程,2、一维激光能量传播方程：,将(2)代入(1)：,若已知，则可以对(4)进行积分，从而得到P(x)。,定义蒸汽等离子体中x0和x之间的光学厚度为：,研究高温等离子体所产生的热辐射过程,则(4)可以改写成：,

9、激光在等离子体中的传播方程,2、一维激光能量传播方程：,x0为蒸汽等离子体边界：,(6)为一个非齐次的线性方程，根据边界条件，可求得的解析解为：,激光在等离子体中的传播方程,2、一维激光能量传播方程：,对于蒸汽等离子体，B(T)与x无关，设为常数，x0=0，则(8)可以改写成：,假设靶表面没有反射、等离子体温度一样,激光在等离子体中的传播方程,多层蒸汽等离子体,二维、三维,考虑靶表面发射边界条件,考虑等离子体内部温度差异：多温电子等离子体,3、其它,激光在等离子体中的传播方程,3、其它,由波的传播Maxwell方程+流体力学方程+边界条件,其中电流密度j ，决定于等离子体的电子、离子的运动。用

10、流体力学近似描述：,激光在等离子体中的传播方程,密度和速度由流体力学方程给出：质量守恒、动量守恒和能量守恒,+边界条件,3、其它,激光在等离子体中的吸收,机制：正常吸收+反常吸收,等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光能量，使自己的温度升高，电离度增大。,正常吸收：即逆韧致吸收，电子在激光电场作用下发生高频振荡，并且以一定概率与粒子（主要是离子）相碰撞，把能量交给比较重的粒子（离子和原子），从而使等离子体升温的过程。,激光在等离子体中的吸收,逆韧致吸收-等离子体吸收激光能量的重要机制,逆韧致吸收：又分为线性吸收（电子速度为marxwell分布及非线性（电子速度分布与激光电场有关）。,非线性逆

11、韧致吸收发生在激光强度足够高时。,激光在等离子体中的吸收,反常吸收,非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能量的过程。这些波所携带的能量通过各种耗散机制转化为等离子体热能，也会使等离子体升温。,反常吸收分共振吸收和多种非线性参量不稳定性产生的吸收两类,共振吸收：在临界面附近将P极化激光束的能量转化为电子Langmuir波能量,参量不稳定性：可视为激光能量衰变成其它波的过程，包括不同的于激光频率的电磁波（散射）,激光在等离子体中的吸收,各种机制相互竞争和耦合,对于短波长激光，碰撞吸收是主要的，它抑制了其它吸收过程,经典的两体碰撞理论：受外场作用的自由电子将具有加速度并能发射和吸收电磁波。忽视离子

12、的能量变化，由动量守恒、能量守恒可得等效吸收系数：,和激光频率的平方成反比-波长的平方成正比？,和等离子体温度的3/2次方成反比,激光吸收和等离子体密度的平方成正比,激光在等离子体中的吸收,线性逆韧致吸收1,激光在等离子体中的吸收,线性逆韧致吸收,等效吸收系数为：,将：,代入：,由于,激光吸收系数近似和波长平方成反比,激光在等离子体中的吸收,线性逆韧致吸收,短波长激光，临界密度大，即激光可以传播到更高等离子体密度的地方，导致更多吸收距离远,激光在等离子体中的吸收,线性逆韧致吸收,考虑量子效应和多体碰撞，Dawson等计算得线性吸收系数为:,与等离子体温度有关,激光在等离子体中的吸收,线性逆韧致

13、吸收,逆韧致吸收和靶物质及其电离度、激光波长、等离子体的温度有较敏感的关系。,实验和数值模拟表明Te随激光强度而增加，随波长的减小而减小,应该考虑集体效应,韧致过程的量子统计研究,韧致过程是在电子碰撞过程中产生的。在等离子体中每一个带电粒子都会受到周围其他带电粒子的屏蔽，从而影响了这一过程。,韧致过程中发射或吸收的电磁波还必须满足等离子体中的横波色散关系,J.M.Dawson考虑了电子屏蔽问题,常铁强等考虑了离子屏蔽问题,但是，忽略了动量的二次项,经典近似，都存在库仑长程力引起的积分发散问题。处理办法：取一个适当的最小碰撞距离。高能电子，取电子的De Broglie波长hmev, 低能电子则取

14、电子动能和其在库仑场中势能相等时相应的碰撞距离,还应该考虑量子效应,韧致过程的量子统计研究,常铁强等从量子统计出发，采用FermiDirac分布函数代替Maxwell分布，对等离子体的韧致辐射作了细致研究。包含了电子屏蔽、离子屏蔽，消除了积分的发散。,参考文献1,对于高功率激光产生的等离子体，温度高而密度低，电子的De Broglie波长比电子平均距离小很多，此时量子效应不重要,考虑集体效应的韧致过程,f1,短波长激光能够大大提高激光逆韧致吸收效率，由于集体效应的影响，即使波长再短，吸收效率也不会达到1,考虑集体效应的韧致过程,集体效应总使电子和离子间库仑力减小，从而减小了加速度,等离子体温度

15、越高，集体效应影响越大,激光波长越短，集体效应影响越大,屏蔽效应的影响基本来自电子屏蔽,非线性逆韧致吸收,前面的讨论一直假定电子的速度分布符合Maxwell分布，即由电子的温度决定,当激光足够强时，电子的振荡速度会超过电子热速度，此时电子速度分布就会和电场有关，变成非线性逆韧致吸收,当激光足够强时，其电场可以和原子核产生的电场相比时，还会发生多光子过程,非线性逆韧致吸收系数大大偏离线性吸收系数，但在激光核聚变的范围内，不会有重要偏离。,非线性逆韧致吸收系数与5/E3有关,激光的共振吸收,斜入射的P极化激光束在临界面附近可以发生共振吸收,假定等离子体电子密度只是在x 方向不均匀；当激光束传播到折

16、返点时，激光电场方向正好就是电子密度梯度方向。,折返点到临界面激光电场逐渐减弱，但临界面处电场并不为零。,激光的共振吸收,斜入射的P极化激光束在临界面附近可以发生共振吸收,沿着电子密度梯度方向的激光电场将导致等离子体电荷分离，引起等离子体振荡,临界点处的等离子体频率等于激光频率，因而发生共振，使电场强度的振幅变得很大，导致激光共振吸收,此静电波沿电子密度梯度方向向低密的等离子体中传播，群速度逐渐增加，电场强度的振幅逐渐减少,激光的共振吸收,某些电子在这个静电波的电场中得到加速，达到很高的速度。,这些很高速度的电子的加速导致“波破裂”，释放超热电子,共振吸收是产生超热电子的重要机制之一,共振吸收

17、是波的模式的一种转换横向的电磁波变成了纵向的静电波,反常吸收,经典的逆韧致吸收系数很小,钕玻璃激光,通常只考虑逆韧致吸收,要考虑反常吸收,反常吸收,通过波波相互作用和波离子相互作用使电子获得能量的过程称作反常吸收,通过静电波（Langmuir）加速和加热电子，通过Landau阻尼和波的破裂把波的能量交给电子,发生在小于和等于临界密度区晕区物理,反常吸收,种类,参量衰变,受激Raman散射,受激Brillouin散射,双等离子体衰变,自聚焦成丝,CO2激光焊接的光致等离子体,CO2激光焊接光致等离子体中通常只含有一价离子，即：,根据实验测得的等离子体温度和密度，计算得到：,功率密度为P0的光束穿

18、过长度为x的等离子体后，功率密度将为：,CO2激光焊接的光致等离子体,随着等离子体尺度增加，激光功率密度大幅度下降,计算结果,CO2激光焊接的光致等离子体,实际上，最多吸收50,原因如下：,当等离子体上升到一定高度后，等离子体将脱离试件，从而使等离子体长度减小,等离子体密度和温度不均匀，后部密度小。温度低，对激光的吸收小,理论与实际存在很大差异,激光焊接中的光致等离子体,激光焊接金相照片（横截面）,又宽又浅，深宽比小,又窄又深，深宽比大,激光在等离子体中折射,等离子体的折射率，可根据等离子体中的色散关系求得，如果忽略等离子体中带电粒子的影响，则：,CO2激光焊接时，光致等离子体的振荡频率小于激

19、光束的圆频率，因此折射率总是实数，且恒小于1,参考文献3,CO2激光焊接中的光致等离子体折射,光致等离子体不均匀，造成激光束传输方向的改变,其偏转角与等离子体的电子密度梯度和长度有关,几千瓦至十几千瓦CO2激光诱导的等离子体对激光束的偏转角度约为102 rad数量级,CO2激光焊接光致等离子体折射效应,测量光致等离子体对激光束造成的偏转,激光束发生偏转,位置不同，发生偏转的角度不同,发生偏转,CO2激光焊接光致等离子体折射效应,CO2激光焊接光致等离子体折射效应,CO2激光焊接光致等离子体折射效应,Beck等人假设等离子体为椭球形、具有类高斯的温度分布，结合Saha方程和激光束在等离子体中传输

20、的色散关系，采用有限差分法直接求解波动方程来计算激光束在等离子体中的传输。,结论：等离子体可使激光束产生严重散焦,一个高4mm的表面金属蒸汽等离子体可使光束直径扩大2.5倍激光功率密度下降5倍多,CO2激光焊接光致等离子体折射效应,左铁钏等实验测量光致等离子体对激光聚焦形态的影响,原理：高功率激光焊接时，激光移开后，等离子体仍然存在，采用纸记录等离子体形态,发现： 光斑变大，焦点下移,等离子体对激光的散射,Malsunnawa研究YAG激光辐照Ti靶形成的蒸汽羽,光散射是由蒸发原子的重聚形成的超细微粒造成的,超细微粒尺寸与气压有关，平均大小可达80nm，远远小于入射光波长,低气压时，超细微粒较

21、小，散射大大减弱,金属蒸汽对激光存在较强光散射,发现：,等离子体对激光的散射,球形粒子引起的瑞利散射强度：,空间随机分布的多个粒子引起的瑞利散射的等效吸收系数为：,散射损失反比于波长的4次方,波长越短，散射越大,对于YAG激光，虽然由于波长短，不易形成等离子体，吸收小，但散射损耗大，仍然要控制等离子体,等离子体对激光的散射,等离子体对激光的散射,CO2激光，未见散射报道,波长长，散射小,激光深熔焊接过程中形成的光致等离子体对焊接质量有很大影响。具有两重性, 这取决于等离子体的存在状态。,当等离子体处于蒸发沟槽之内或为表面薄层状时, 等离子体可以强化吸收；,而当等离子体变成云团时, 将对激光散射

22、和折射，阻碍激光与材料的耦合。,激光焊接的等离子体行为,激光焊接中的光致等离子体,从温度看，激光焊接光致等离子体属低温等离子体,从空间位置和等离子体的强弱来看，在不同的激光功率密度条件下，可以将激光等离子体分为三类：,等离子体呈周期性变化,等离子体非常稀少并附在工件表面,等离子体在工件上方形成稳定的近似球形的云团,激光焊接的等离子体行为,20kW射频激励快速轴流CO2激光器焊接铸造铝合金,激光深熔焊接过程中产生的等离子体云团对入射激光具有屏蔽作用，影响正常焊接过程。等离子体的吸收和散射作用影响了激光的传输效率，降低了到达工件上的激光能量；而等离子体的负透镜效应（折射）扩大了激光能量在工件上的作

23、用区，从而降低了焊接质量。,激光焊接中的光致等离子体,等离子体对激光的折射行为是引起等离子体屏蔽的主要原因。在激光深熔焊接过程中，等离子体对激光的折射作用大大降低了耦合到工件表面的能量密度，并且导致激光实际聚焦位置比正常聚焦位置偏低。,等离子体的吸收和散射作用影响了激光的传输效率，降低了到达工件上的激光能量；而等离子体的负透镜效应（折射）扩大了激光能量在工件上的作用区，从而降低了焊接质量。,影响等离子体的因素,激光焊接中的光致等离子体,工艺参数：焊接速度、聚焦光斑大小等,材料性质：热导率、电离能、汽化热等,影响等离子体的因素,激光焊接中的光致等离子体,激光参数：激光功率密度、波长、光斑大小都对

24、等离子体有影响。功率密度越大，等离子体的温度越高，但功率密度过大会导致等离子体不稳定；激光波长越长，等离子体的临界密度越小；激光光斑直径越小，等离子体就越难以形成。,焊接环境：环境压力、环境气体及气体流量都会对等离子体产生影响。环境压力越低，蒸气密度及电子密度就会越低，从而等离子体越不易产生；环境气体电离能越低、导热性越差越容易形成等离子体；环境气体流量越大，等离子体体积就越小，但是其流量过大会使匙孔扩大、熔化金属飞溅。,激光焊接中的光致等离子体,光致等离子体的控制方法：以期达到减小或消除它对激光干扰的目的。,激光摆动法。在焊接过程中，激光束沿焊接方向来回摆动，在匙孔出现后而等离子体形成以前，

25、将光斑瞬时移至熔池的后缘，等离子体来不及扩展，光束又向前移动形成新的小孔，如此周而复始。这种方法能获得比脉冲激光焊接更深和更大深宽比的焊缝，但是这种方法在实际操作中不易控制。,脉冲激光焊接法通过调整激光的脉冲频率，使激光的辐照时间小于等离子体的形成时间，从而抑制等离子体的产生。但这种方法容易引起焊缝的波动。,激光焊接中的光致等离子体,光致等离子体的控制方法：,外加电磁场控制法。由于等离子体是被电离的气体。在外加电磁场的作用下，等离子体中的带电粒子会受到电磁力作用，控制电场和磁场的方向和大小，可以改变等离子体中的带电粒子的分布和运动，达到控制等离子体的目的。利用外加电磁场控制等离子体，方法简单，

26、成本较低，但在实际中难以操作。 Tse 等人研究发现，用氩气作保护气体时，磁场抑制等离子体的效果比用氦气作保护气体时的明显，且熔深有显著增加。 包刚等人观察出，其他条件不变时，磁场强度越大，焊缝熔深越大；并且在其他条件一定时，存在最佳电压值，能获得最大熔深。,激光焊接中的光致等离子体,光致等离子体的控制方法：,吹辅助气体法。在激光焊接过程中，吹保护气体是利用保护气体流动的能量将金属蒸汽和等离子体从激光光路吹除，或通过增加电子、离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速度，以降低等离子体的电子密度。导热性好、电离能高的辅助气体能更有效的控制等离子体。通常使用的辅助气体中氦气控制等离子体的效果最好。

27、吹辅助气体控制等离子体的方法相对灵活且简单，可以同时起到控制等离子体和保护熔池的双重作用。因此在实际中得到广泛应用，但该方法对侧吹气体的位置、角度、压力都有严格的要求，而且还可能恶化焊缝成形。,激光焊接中的光致等离子体,光致等离子体的控制方法：,Beck 等人发现，当Ar:He =1:3 混合时抑制等离子体的效果最好。 张林杰等人分析指出对流冷却作用是侧吹气体能够抑制等离子体的重要原因，优化的侧吹喷嘴高度和侧吹流速可以有效地抑制光致等离子体。 唐霞辉等人利用同轴双层喷嘴辅助气体对等离子体进行控制，发现用He+15%Ar 混合气体作保护气体能显著改善熔深，并且随着外层喷嘴环形气体压力的增大可以很好地控制等离子体。 李国华等人研究了大功率CO2 激光焊在不同侧吹气体流量下，侧吹气流方向不同对其焊接过程稳定性和焊缝成形的影响。结果表明，气流方向与焊接方向相反时，可获得更稳定的焊接过程和更大的熔深